ABCG1基因表達調控在心血管疾病中的作用

師 瑩, 姚 柳, 艾 玎

(1.天津市胸科醫院天津市心血管病研究所,天津300222；

2.天津醫科大學免疫微環境與疾病教育部重點實驗室,天津300070；

3.天津醫科大學天津市代謝病重點實驗室,天津300070；

4.天津醫科大學生理學與病理生理學系,天津300070)

心血管疾病是世界范圍內發病率和死亡率較高的疾病,嚴重影響了人類的健康.動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)作為心血管疾病的病理基礎,其特點是動脈血管壁,尤其是巨噬細胞中過量膽固醇的累積.因此,維持膽固醇平衡對預防和治療AS病變至關重要[1-2].體內膽固醇的清除主要是通過高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL)的膽固醇逆向運輸(reverse cholesterol transport,RCT)作用.通常肝外組織中多余的膽固醇被HDL轉運至肝臟,最后經糞便排出體外,該過程稱為RCT[3].以往的研究發現,血漿中HDL-膽固醇水平與心血管疾病呈負相關,降脂類藥物如他汀等可顯著升高血漿HDL-膽固醇水平,降低心血管疾病風險[4].然而,近年來的研究發現,升高HDL的藥物如膽固醇酯轉移蛋白(cholesteryl ester transfer protein,CETP)抑制劑(torcetrapib),雖然能夠升高HDL-膽固醇水平,但并未降低心血管疾病發生的風險[5].隨后有研究者提出,增強HDL的功能比單純提高血漿HDL-膽固醇水平更有意義；而提高HDL的膽固醇流出能力也已成為臨床治療動脈粥樣硬化樣心血管疾病的潛在靶標[6].膽固醇流出作為RCT的第一步也是最為關鍵的步驟,主要通過三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白A1(adenosine triphophate(ATP)-binding cassette(ABC)transporter A1,ABCA1)和三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白G1(adenosine triphophate(ATP)-binding cassette(ABC)transporter G1,ABCG1)介導,其中ABCA1可促進膽固醇轉運至胞外的apoA-Ⅰ,而ABCG1可促進細胞內膽固醇流出至HDL顆粒[7].ABCG1在維持細胞或組織膽固醇穩態方面具有重要作用,但其在心血管疾病中的作用尚有爭議.因此,本工作就ABCG1在心血管疾病中的研究進展作一綜述,以期為代謝性心血管病的治療提供新的靶點和思路.

1 ABCG1概述

ABCG1屬于三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白家族,為6次跨膜蛋白,主要由胞外區域、跨膜結構域和胞內三磷酸腺苷(adenosine triphophate,ATP)結合域組成.已有研究發現,ABCG1屬于半轉運子蛋白,必須與另一個轉運子蛋白形成異源或同源二聚體來發揮功能[8].ABCG1利用ATP水解釋放的能量驅動多種底物,如膽固醇、氧化甾醇類物質和磷脂等脂類以及脂溶性小分子如維生素E等,穿越細胞膜磷脂雙分子層,實現細胞內脂質再分布[9-10].ABCG1的表達呈組織特異性,高表達于心臟、肝臟、脾臟、肺、腦和腎上腺.目前,關于ABCG1的亞細胞定位尚不明確.最初的研究認為ABCG1主要分布于細胞膜,可促進膽固醇流出至胞外的HDL[11].隨后的研究認為,ABCG1存在于內吞囊泡中而非細胞膜上,促進了內質網上甾醇類物質再分布[8].其他研究認為,ABCG1同時存在于細胞膜和次級內體上,可將膽固醇轉運至細胞表面,被胞外多種受體所識別,參與多種信號轉導和疾病進展[12].結構分析表明,ABCG1 550/562位點的亮氨酸突變為脯氨酸是引起ABCG1定位改變的直接原因[13].但該結論很快被其他研究者否定,文獻[14]認為ABCG1 550/562位點亮氨酸突變與否與ABCG1在各級內體上的定位無直接關系.

2 ABCG1在心血管疾病中的作用

ABCG1作為RCT的關鍵蛋白,由于其在維持細胞脂質穩態過程中的重要作用,可通過促進巨噬細胞中的膽固醇流出作用而抑制AS發展.已有研究發現,Abcg1-/-小鼠來源的巨噬細胞中炎癥因子表達升高,而且骨髓移植實驗表明Abcg1-/-小鼠來源的骨髓促進Ldlr-/-小鼠斑塊處招募更多的炎癥細胞[15].然而其他研究發現,接受Abcg1-/-骨髓移植的小鼠與對照小鼠的AS病變程度相似,可能與血清膽固醇引起的ABCA1代償性上調有關[16].此外,Abcg1-/-小鼠來源的骨髓可促進巨噬細胞凋亡,減少斑塊面積,抑制高脂/高膽固醇飲食誘導的動脈粥樣硬化[17].以上結果提示,ABCG1在動脈粥樣硬化疾病中的不同作用因斑塊形成的階段而異.在斑塊形成初期,ABCG1通過促進巨噬細胞的膽固醇流出而抑制斑塊形成；反之,在斑塊形成晚期,ABCG1可通過促進巨噬細胞的凋亡加速斑塊形成[18].

內皮細胞是位于血管內表面的一層單細胞,形成血管內膜,釋放多種介質,包括內皮素-1、前列腺素和一氧化氮(nitric oxide,NO)等以調節血管張力[19].內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)是合成NO的關鍵酶.NO具有抗血小板、抗增殖、抗遷移、抗氧化和抗炎等多種血管保護作用以維持血管穩態和心臟功能[20].已有研究發現,ABCG1對于維持內皮細胞的eNOS活性至關重要.內皮細胞特異性Abca1-/-Abcg1-/-雙敲除小鼠,可通過抑制內皮細胞eNOS活性,上調炎癥基因的表達,進而加速飲食誘導的AS進程[21].Abcg1-/-小鼠來源的內皮細胞中炎癥因子(MCP-1,IL-6)和黏附分子(E-選擇素和ICAM-1)表達明顯升高,導致單核細胞在血管內皮上的黏附增加[22],提示ABCG1可通過影響單核細胞的黏附促進AS發生.另外,ABCG1缺失引起細胞內膽固醇外流受損,促進T細胞向Treg細胞分化進而抑制AS[23].Yvan-Charvet等[24]和Westerterp等[25]發現Abca1-/-Abcg1-/-小鼠的細胞內膽固醇積累增加,促進造血干細胞和多潛能祖細胞的增殖和動員及其在動脈血管壁聚集從而導致動脈粥樣硬化,其內在機制可能與IL23/IL17/G-CSF信號通路激活有關[24-25].因此,ABCG1過表達和組織特異性敲除小鼠模型的建立有利于明確ABCG1在AS形成過程中的復雜作用.

基因組分析發現,ABCG1基因多態性與心肌梗死密切相關.位于ABCG1啟動子區域SP1結合位點的基因突變(g.-376C＞T)能夠預測心肌梗死風險增加[26].然而,已有研究指出,SNP位點rs57137919(g.-367G＞A)與心肌梗死和心血管疾病風險降低有關[27].另外,在高血壓患者外周血來源的單核細胞中ABCG1和ABCA1表達均降低,抗高血壓治療可逆轉二者的降低趨勢[28].上述研究提示ABCG1參與了心肌梗死和高血壓疾病的發生發展,但其作用機制尚未明確,有待進一步研究.

3 ABCG1基因表達調控在心血管疾病中的作用

人類ABCG1基因位于染色體21q22.3[29],含有23個外顯子和多個啟動子,在細胞內通過不同的轉錄起始和mRNA選擇性剪接產生多種轉錄本.在外顯子17末端的額外選擇性剪接導致一種ABCG1剪接變體的產生,該變體缺乏胞內結構域和ATP結合域之間的12個氨基酸,簡稱ABCG1(-12)[30]；人類細胞中ABCG1(+12)和ABCG1(-12)均表達[31],而小鼠僅表達ABCG1(-12),但是兩種變異體的功能是相似的[32].ABCG1的表達受多重因素的調控,其在疾病發展中有重要作用.

3.1 轉錄因子

ABCG1的表達主要受轉錄因子——肝臟X受體(liver X receptors,LXR)的調節,而LXR作為膽固醇“感受器”,在受到膽固醇負荷或氧化甾醇類刺激后被激活.LXR激動劑(TO901317)可通過激活LXR使ABCG1的表達升高,促進膜內外膽固醇重排,誘導膽固醇外流[33].巨噬細胞特異性缺失LXR導致AS形成風險增加[34],而肝臟特異性過表達LXR可減少飲食誘導的動脈粥樣硬化[35].LXR激活可轉錄激活ABC轉運子蛋白,直接刺激RCT過程[36].此外,G蛋白途徑抑制因子2(G protein pathway suppressor 2,GPS2)通過促進LXR與ABCG1啟動子的結合,導致H3K9位點發生去甲基化,轉錄激活ABCG1,促進了RCT過程；而GPS2缺失則抑制了ABCG1轉運蛋白所介導的RCT作用[37].進一步的研究發現,腸上皮細胞中LXR的組成型活化還可通過降低腸道膽固醇吸收、增強RCT來減少動脈粥樣硬化[38].以上結果提示RCT可能成為LXR抑制動脈粥樣硬化形成的潛在靶點.

3.2 DNA甲基化

心血管疾病是由機體本身與外界環境共同作用誘發的代謝性疾病.表觀遺傳學通常指在不影響DNA序列的情況下,通過環境與基因組之間的相互作用調節基因的表達,進而影響心血管疾病的生理病理改變.DNA甲基化是最為常見的一種表觀遺傳修飾,主要指CpG二核苷酸序列中的碳-5位置被甲基修飾,通過阻止轉錄因子與基因啟動子結合或募集染色質修飾酶來抑制基因活性[39].已有研究發現,血脂水平與膽固醇代謝相關基因的DNA甲基化之間存在關聯.進一步的分析發現ABCG1 DNA甲基化可能介導了高甘油三酯水平與心肌梗死風險之間的關聯,其中ABCG1 cg06500161甲基化導致ABCG1轉錄水平降低,ABCG1甲基化位點(cg06500161)與HDL-膽固醇和甘油三酯水平均呈負相關；相對于健康人群,心肌梗死患者的ABCG1甲基化(cg06500161)程度明顯增加[40].以上結果表明ABCG1甲基化及其調控網絡在調節血脂水平以及心肌梗死的發展中發揮了關鍵作用.另一項針對中國漢族人群中ABCG1啟動子甲基化與冠心病關系的研究分析發現,冠心病患者中ABCG1啟動子高甲基化者是正常甲基化者的5倍左右,提示ABCG1啟動子高甲基化水平與冠心病風險增加密切相關[41].同時,ABCG1位點cg27243685甲基化亦可引起ABCG1表達降低,甘油三酯增加,HDL水平降低,導致冠心病風險增加[42].

糖尿病和肥胖是心血管疾病的危險因素,它們通過相互作用共同促進心血管疾病的發展.已有研究發現,ABCG1甲基化伴隨糖尿病風險的增加.ABCG1 cg06500161位點甲基化與身體質量指數(body mass index,BMI)、HbA1c、胰島素和甘油三酯水平相關[43-44].此外,肥胖尤其是腹部脂肪堆積,是心血管疾病和糖尿病等代謝性疾病的重要特征.表觀遺傳分析發現,ABCG1 cg06500161位點甲基化與高膽固醇血癥腰圍(hypertriglyceridaemic waist,HTGW)密切相關[45].以上研究結果表明,ABCG1甲基化與血脂異常、心肌梗死、冠心病、糖尿病和肥胖等脂質代謝紊亂相關疾病密切相關,這將為治療脂質異常相關疾病的藥物開發提供依據.

3.3 MiRNA

MiRNA是一類長度為18～24核苷酸的內源性非編碼小分子RNA,它們通常與靶基因mRNA的3’-非編碼區結合,促進靶基因降解或抑制其翻譯,發揮基因表達轉錄后調節因子的作用[46].MiRNA可調控RCT和HDL-膽固醇的合成及清除,在動脈粥樣硬化的發病過程中發揮重要作用[47].MiRNA在血管生理學、脂質代謝和炎癥及其對血管代謝性疾病的影響已得到廣泛研究.相關研究表明miRNA可特異性作用于膽固醇流出過程.在多種細胞和組織中表達的miR-33a/b,是位于膽固醇轉錄因子2基因上的一個固有miRNA,可部分作用于ABCA1和ABCG1,在增加膽固醇合成的同時減少膽固醇清除,調控細胞內膽固醇動態平衡[48-49].在小鼠巨噬細胞和肝細胞中,miR-33可抑制ABCG1蛋白表達及其介導的膽固醇流出作用,而miR-33抑制劑可促進膽固醇流出,升高血液HDL水平(增加25%～50%)[50].

在人類和小鼠AS斑塊處發現miR-23a-5p表達顯著升高,生物信息學發現ABCA1/G1是miR-23a-5p的新型靶標,其通過抑制ABCA1/G1的表達,減少巨噬細胞膽固醇流出,促進泡沫細胞形成,加速斑塊形成并影響斑塊不穩定性[51].已有研究發現,miR10-b通過靶向ABCA1和ABCG1,抑制巨噬細胞膽固醇流出作用；花青素-3-糖苷的腸道菌群代謝產物——花青素與原兒茶酸(protocatechuic acid,PCA)可通過抑制miR10-b促進膽固醇流出,具有抗AS作用[52].而miR-378和miR-128-2可直接抑制ABCG1的表達,參與調節膽固醇穩態[53-54].此外,miRNA也可上調ABCG1的表達.如miR21缺失后ABCG1表達降低,促進泡沫細胞的形成,該過程可能與p38和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)的活化有關[55].MiRNA在疾病預防和治療過程中具有巨大潛能,可以通過miRNA激動/拮抗劑或飲食干預來影響miRNA的表達.已有研究還發現,miRNA可以通過外泌體[56]、凋亡小體[57]、HDL顆粒[58]在血液中穩定地運輸,最后被靶細胞識別以調控靶基因的表達.上述結果提示miRNA可能通過細胞間的相互交流形成網路系統參與膽固醇的代謝調控.因此,對于miRNA調控ABCG1的作用模式有待更進一步研究.

3.4 蛋白修飾

ABCG1的表達還受到蛋白磷酸化和泛素化等修飾,其中ABCG1的泛素化修飾對于細胞內膽固醇的平衡有重要調控作用.相關研究已發現,泛素化-蛋白酶體途徑中的關鍵酶——E3連接酶(HUWE1和NEDD4-1)可直接結合ABCG1并增加其泛素化修飾,促進ABCG1進入蛋白酶體降解,抑制細胞內膽固醇的流出,參與維持細胞內膽固醇的平衡[59].此外,細胞內膽固醇水平也可反過來影響ABCG1的泛素-蛋白酶體降解途徑[60].細胞內膽固醇水平降低可增加ABCG1的泛素化修飾,促進其進入蛋白酶體降解；反之,細胞內膽固醇水平升高則會抑制ABCG1的泛素化修飾,減少其在蛋白酶體的降解[60].上述研究結果表明,細胞內膽固醇水平和ABCG1的泛素化修飾可相互影響,共同維持細胞內膽固醇的平衡.另外,ABCG1可被激酶磷酸化后進入蛋白酶體發生自身降解,12/15-脂氧合酶可通過激活p38和JNK信號通路促進ABCG1的磷酸化而導致其降解,從而使膽固醇流出能力降低[61].已有研究還發現,在巨噬細胞中ABCG1 Cys311位點棕櫚?；赏ㄟ^促進ABCG1的細胞膜定位來發揮促膽固醇流出的作用[62],提示增強ABCG1蛋白穩定性和棕櫚酰化,可促進細胞膽固醇流出,抑制泡沫細胞形成,從而延緩AS的發生發展,為動脈粥樣硬化的治療提供新的策略.

4 結束語

膽固醇是細胞膜的必需組成成分,不僅在維持細胞膜的通透性和流動性中有重要作用,還可形成脂筏結構,為細胞信號轉導通路提供平臺,確保細胞正常生長和功能.ABCG1介導的膽固醇流出促使細胞膜和細胞器膜之間的膽固醇重新分布,維持了細胞內脂質穩態.ABCG1的表達受多重因素的調控,而這些因素之間又可相互影響共同調節ABCG1的表達.本工作通過闡明ABCG1表達調控對膽固醇外流的影響,明確了ABCG1在心血管疾病中的重要作用.通過本工作的總結,期望為動脈粥樣硬化樣心血管疾病提供新的治療策略.